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JJC 2003
Aussois
Dosimétrie des émetteurs b à
l’échelle cellulaire et tissulaire par
méthode de Monte Carlo
J. Coulot1, M. Ricard1, A. Faggiano2, N. Bellon3 F. Lavielle1, M. Schlumberger2
1 Service
de Physique, 2Service de Médecine Nucléaire & Cancérologie Endocrinienne,
3Service Statistiques
Institut Gustave-Roussy
CONTEXTE
 Problématique
 Formalisme
 Outils
APPLICATIONS
 Cancers
de la thyroïde
 Données de base
 Modélisation géométrique
 Calculs et résultats
Introduction - la dosimétrie interne

Dosimétrie interne : déterminer la dose déposée
dans les tissus par des radionucléides distribués
dans l’organisme :

De façon accidentelle ou dans un but diagnostic :
radioprotection
 Dans un but thérapeutique : relation dose-effet
énergie déposée J
Dose 

 Gray
Kg
unité de masse
Concept de base : la fraction absorbée
Fraction absorbée
Fonction de la géométrie et de la nature du rayonnement :
Ek
Fraction absorbée : k 
E0
k
Fraction absorbée massique :  k 
mk
Énergie
émise E0
Cible k
Source h
Concept valable
uniquement pour un
radionucléide distribué
de façon homogène
dans la source
Énergie
absorbée Ek
Méthode du Medical Internal Radiation Dose
Comity

Principe du MIRD : estimation de la dose à l’échelle de l’organe, dans des
fantômes anthropomorphiques décrits par âge et par sexe :
Activité cumulée (nombre
total de particules émises)
estimée grâce aux images
fonctionnelles
Dosek
= Énergie totale émise X
% d’énergie absorbée
Masse de l’organe
Un peu plus loin…
Mesuré
Calculé
Tabulé
Sk
: Dose par MBq.h déposée
dans le volume k
De l’organe… à la cellule
Femme MIRD
Concept
de fraction absorbée valable
à toutes les échelles
Nécessite un MODELE
GEOMETRIQUE REPRESENTATIF
Thyroïde
Vésicules
thyroïdiennes
On peut recalculer les facteurs S
à l’échelle qui nous convient
Outils

Plusieurs codes de calculs dans
le domaine public :
 MCNP,
PENELOPE, GEANT, EGS,
etc. (www.nea.fr)

NRC-CNRC
A l’IGR: utilisation de EGSnrc :
 Expérience
du code EGS (P. Telenczak, J.
Gouriou, I. Clairand)
 Transport des particules chargées ++

Développement d’outils autour de cet
environnement
Le usercode EGS - DOSE3D
1
2

Utilise la géométrie
combinatoire
 Calcule la fraction
absorbée dans
chaque volume
d’intérêt défini par
l’utilisateur
OR +1 OR +2
+1 -2
+1 +2
Principe de la géométrie combinatoire
DOSE3D - évolutions
Dédié à la dosimétrie à l’échelle de
l’organe
Clairand et al. Improvement of internal
dose calculations using mathematical
models of different adult heights. Phys
Med Biol 45 (2000).
INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY
Phys. Med. Biol. 48 (2003) 1–12 PII: S0031-9155(03)61049-3
Validation of the EGS usercode DOSE3D
for internal beta dose calculation at the
cellular and tissue levels
J Coulot, M Ricard and B Aubert
Adapté à EGSnrc et
validé aux échelles
cellulaires et
tissulaires
CONTEXTE
 Problématique
 Formalisme
 Outils
APPLICATIONS
 Cancers
de la thyroïde
 Données de base
 Modélisation géométrique
 Calculs et résultats
Application - Cancers de la Thyroïde
Outil de calcul validé utilisable dans de
nombreuses configurations
 Première application : étude de l’influence
de la distribution de l’iode-131 dans la
thyroïde
 Contexte : conséquences de l’accident de
Chernobyl

Épidémiologie (M. Schlumberger)
ITALIE & FRANCE
BELARUS
60
60
50
Âge au
diagnostic
50
40
N° OF CASES

Cancers de la thyroïde des enfants, Belarus
 1977-86: 8 cancers
 1990-98: 583 cancers
Risque relatif en fonction de l’âge lors de l’accident
 1 ans : 237
 10 ans : 6
 Adultes : pas de risque significatif.
N° OF CASES

30
20
10
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1314 1516 171819 2021
AGE AT DIAGNOSIS (Years)
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
AGE AT DIAGNOSIS (Years)
Ces données ne sont pas corrélées aux
estimations dosimétriques (MIRD)
Étude IGR

Étude pluridisciplinaire : anatomopathologie-médecine
nucléaire-statistique-physique-biologie

31 échantillons de thyroïdes saines (ablations
préventives) ont été étudiés :

Étude morphométrique des tailles de vésicules
thyroïdiennes

Étude des caractéristiques fonctionnelles par
immunohistochimie : localisation du transporteur de
l’iode Na+/I- Symporter (NIS)
La thyroïde
Cellules épithéliales
Thyroïde
Colloïde
Données de base - distribution de diamètres
2 groupes morphologiques isolés :  12 ans et > 12 ans

30
 12 ans
25
% vésicules
> 12 ans
Diamètres moyen
vésicules (p<0,001):


20
 12 ans : 131 µm
> 12 ans : 171 µm
15
10
5
CIPR 23 – homme
de référence :
0
40
80 120 160 200 240 280 320 360 400 440
diamètres (µm)
Adultes : 300 µm
12-15 ans : 250 µm
Données de base - expression du transporteur de
l’iode NIS
Faggiano et al., J. Nucl Med., in press
Marqueur NIS
Âge
Moyenne
% vésicules
marquées
 12 ans
50-75%
[25-75]
<0,01
> 12 ans
<25%
[25-50]
<0,01
Expression NIS
Gamme
p - value
Activité métabolique
(capacité à concentrer l’iode)
Expression du transporteur de l’iode NIS préférentiellement dans les
petites vésicules
Modélisation – outils développés


Le programme CLUSTER3D,
utilise le hasard pour
associer des sphères de
rayons différents de façon
aléatoire dans l’espace sous
contraintes de compacité
BUT : améliorer la
représentativité des modèles
en évitant l’écueil d’une
organisation trop
géométrique et éloignée de
la réalité

Langage JAVA

Programmation objet
(proche C)
 Multi-plateforme
(Windows, Linux,
MAC OS)
 Gratuit...

Temps de calculs # 3-5
minutes…
 Écrit les fichiers de
sortie

DOSE3D
 Rhinoceros (3D)
Principe



z
y
x
Échantillone une distribution de diamètres
Chaque sphère peut être le germe de
création d’une suivante
Des contraintes sont introduites au fur et
à mesure de la construction du modèle
Modèles géométriques
# 200 sphères de
différents rayons
> 12 ans
 12 ans
Pour obtenir une organisation
différente dans l’espace :
changement de la séquence de
nombres aléatoires
Cellules épithéliales - observation

Prise en compte de l’orientation des cellules épithéliales à la
surface des vésicules (observations sur coupes histologiques) :
Sujet de 8 ans
Sujet de 17 ans
Cellules épithéliales - modélisation
15 mm
10 mm
« Petites »
vésicules
  100 mm
5 mm
Vésicules
« intermédiaires »
« Grandes »
vésicules
100 <  < 200 mm
  200 mm
colloïde
Vésicule
thyroïdienne
Cellules épithéliales
Calculs -hypothèses
1
131I
distribué de façon
homogène dans toutes
les vésicules
2
131I
distribué de façon
homogène dans les
vésicules exprimant le
NIS (les plus petites)
distribué de façon homogène dans toutes les
Cas n°1 vésicules
131I
Probabilités
3,5
 12 ans : 1 & 2
> 12 ans : 1 & 2
S (mGy.MBq-1.h-1)
3
Écart entre les
deux groupes
2,5
2
2
1,5
1
0,5
0
,01
,1
1
50
5 10 20 30 50 70 80 90 95
99
99
99,9 99,99
Probabilité d’avoir S  ordonnée y (%)
Cas n°2
131I
distribué de façon homogène dans les vésicules
exprimant le NIS
12 ans : 60 % des vésicules expriment le NIS
> 12 ans : 20 % des vésicules expriment le NIS
Probabilités
 12 ans
> 12 ans
S (mGy.MBq-1.h-1)
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
,01
,1
1
5 10 20 30 50 70 80 90 95
99
99,9 99,99
Probabilité d’avoir S  ordonnée y (%)
Conclusions

La dose absorbée dans la thyroïde est
hétérogène (« distribution » de la dose)
 Les sujets correspondants au modèle > 12 ans
toujours moins irradiés que ceux du modèle 
12 ans, quelle que soit l’hypothèse.
 L’utilisation d’hypothèses fonctionnelles simples
augmente l’écart entre les deux groupes de façon
significatives
Conclusion - discussion
 Nos calculs sont basés sur des hypothèses :
l’utilisation de données biologiques quantitatives est
indispensable :



Localisation intra-thyroïdienne
Concentration de l’iode dans les vésicules
En projet / en cours :


Étude quantitative de la distribution des isotopes de l’iode
dans la thyroïde à l’aide de la microscopie ionique
analytique
Application de la méthode de calcul dans le cadre de la
radioimmunothérapie
Remerciements
Médecine Nucléaire &
cancérologie
endocrinienne

Pr. Martin Schlumberger

Antongiulio Faggiano
Statistique

Nicolas Bellon

Marcel Ricard
Bernard Aubert
Frédéric Lavielle
Guillaume Bonniaud
Physique


